港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道長距離大直徑曲線管幕頂管工藝試驗研究

高海東

(中鐵十八局集團有限公司,天津 300222)

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道長距離大直徑曲線管幕頂管工藝試驗研究

高海東

(中鐵十八局集團有限公司,天津 300222)

管幕工程是港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道口岸暗挖段難度最大的項目之一,其特點是距離長、直徑大、管幕軌跡位于曲線上,同時頂管精度要求高,施工難度大。工程下穿拱北口岸限定區域,埋深4～5 m,管幕平均長度257.92 m,由36根φ1 620 mm的鋼管組成。線路位于緩和曲線和圓曲線組成的組合曲線上,圓曲線半徑約890 m,管節軌跡精度要求±50 mm,地表沉降要求小于30 mm,管幕所處地層地質條件復雜,周邊環境敏感。從頂管機選型、頂進階段劃分、順序和工藝控制等方面做了詳細介紹。

海底隧道;曲線頂管;F型接頭;測量控制;精準控制

1 工程概況

港珠澳大橋珠海連接線是港珠澳大橋的重要組成部分,其中拱北隧道口岸暗挖段管幕工程是珠海連接線難度最大的項目之一,其主要特點是管幕距離長、直徑大、軌跡位于曲線上,同時頂管精度要求高,地質情況復雜、周邊環境敏感,地面控制要求嚴,施工期間要確保口岸通關不中斷。

管幕工程下穿拱北口岸限定區域,設東西工作井各1座,互為始發、接收井,工作井寬25.5 m,長12.7 m,深約31 m。管幕埋深4～5 m,由36根φ1 620 mm的鋼管組成,平均長度257.92 m,管間距35.5～35.8 mm,其中位于隧道上半斷面壁厚20 mm的18根,下半斷面管壁厚24 mm的19根,材料為Q235BZ鋼,管幕橫斷面布置見圖1。

線路位于緩和曲線和圓曲線組成的組合曲線上(緩和曲線長88 m,圓曲線長167 m,曲線半徑890 m),每節鋼管長4 m,通過特殊設計的F型接頭實現曲線頂進,管節間最大張角0.26°,最大張開量7 mm。

小曲率半徑穿越口岸限定區域時,外側管幕距澳門聯檢大樓樁基最近1.6 m,內側管幕距免稅商場回廊樁基最近0.46 m,管幕頂進精度要求控制在±50 mm內,地面沉降要求控制在±30 mm內。

圖1 管幕橫斷面布置(單位:cm)

管幕所處地層極為復雜,自上而下依次是人工填土、砂層、淤泥、細砂層、全風化花崗巖層等,為典型的海陸相交互沉積地層,地質情況多變,頂管施工難度極大。

2 機械設備選型

管幕施工所需配備的主要設備有:頂管機和后配套、頂管平臺、通風設備、吊裝設備、管節加工設備。

2.1 海瑞克AVN1200TC頂管機

依據本項目的地質、水文情況和頂管精度要求,經過充分調研國內外主要頂管設備(國外的主要有德國海瑞克、日本RALA兩種品牌,國內的產品有多種),經比選決定采用德國海瑞克AVN1200TC泥水平衡式頂管機,如圖2所示。該設備具有以下特點:

(1)具備曲線測量及自動糾偏功能,配備了UNS測量系統,能實現±50 mm的曲線頂管要求;

(2)采用復合刀盤,高效的錐形破碎,多種沖洗模式、噴射系統等,可適用于拱北隧道的砂層、軟土、復合土、淤泥質土等不同地質情況,并可處理塊石、混凝土塊等障礙物;

(3)配備中央控制室,可實現遠程自動控制;

(4)配備孔口止水裝置,保證孔口止水效果;

(5)配備泥水分離系統和自動絮凝系統,使泥漿保持較好的攜渣性能;

(6)千斤頂主頂能提供6 000 kN頂力,中繼間能提供4 500 kN,油缸行程5 m。

圖2 東側工作井及頂管施工現場

2.2 頂管平臺

(1)小規模頂管階段的固定平臺

前期小規模頂管時采用可拆卸固定平臺,在頂進面及后背墻處地下連續墻上鉆孔埋置螺桿并安裝牛腿,然后安裝主梁和型鋼平臺。主梁由2根HN800× 300 mm型鋼構成,上方用I20a型鋼焊接骨架并覆蓋鋼板,平臺縱向長12.7 m,寬5 m。

(2)群管頂進的電動移動平臺

群管頂進時采用特殊設計的電動移動平臺,平臺由支撐桁架、吊裝設備、移動平臺等組成,通過電動導鏈實現上下左右的移動,每個工作井內設4個平臺,安裝效果見圖3。

2.3 通風機

管內通風采用9-19-A型高壓離心式通風機,用φ200 mm的硬質PVC管作為風管,硬質通風管與通風機之間采用軟管連接。

2.4 吊裝設備

以工作井上方20 t龍門吊作為主吊,電動移動平臺上可移動吊鉤作為輔助吊裝設備。

2.5 管節加工設備

圖3 頂管平臺效果

管節加工設備主要有卷管機、數控切割機、埋弧焊機床、銑床等。

3 施工工藝控制

3.1 施工準備

3.1.1 頂進面土體加固

頂進面采用1.2 m地連墻和4.3 m厚三重管旋噴樁加固,深度超過基坑底部約2 m。頂進面土體加固質量直接影響到孔口鑿洞與始發安全,需十分重視。

3.1.2 管節加工

管節加工采用加工廠集中加工,統一編號、堆放,數控火焰切割機下料,采用三軸萬能卷管機進行管身卷制及接頭毛坯管卷制,自動埋弧焊機進行縱縫焊接與管身焊接,CO2氣體保護焊機進行接頭安裝焊接,采用打磨機對各類接頭零部件打磨處理,F型接頭焊接成型后經銑床銑成凹槽。F型接頭詳見圖4,管節拼裝時在前方管節尾端墊入松木板,后方插口凹槽處安裝鷹嘴形橡膠圈,旋轉后方管節使法蘭螺栓孔對應,用主頂把后方管節緩慢頂入前方管節,頂進到位后擰好限位螺栓。

圖4 F型接頭示意(單位:mm)

3.1.3 地下連續墻孔洞鑿除

洞口止水裝置安裝前需鑿除地下連續墻混凝土,然后再安裝鋼制孔口管。鑿除地下連續墻是一項非常危險的工作,一方面有可能出現漏水,另一方面,隨著鑿除孔洞數量的增加,結構安全問題將十分突出,因此需確保地連墻及頂進面土體加固質量,保證不滲不漏,必要時注漿加固。

3.1.4 洞口止水裝置及管剎

始發階段為保證管節和土體間潤滑泥漿的壓力和坑外土體穩定,需設置洞口止水裝置。針對本工程的特點,設計了可拆卸式折頁壓板襯雙層簾布橡膠止水密封,其主要由折頁式壓板、簾布橡膠圈、擴大鋼環、連接鋼環組成,效果見圖5。每次頂管施工時,通過螺栓將止水裝置安裝于洞口的預埋件上,完畢后再安裝于下一處,實現循環利用。

圖5 洞口止水裝置示意

管節停止頂進時,機頭在自然水土壓力和木墊塊的彈性變性力作用下會引起管節后退,為防止管節后退,在始發前需安裝管剎,一節管節頂進完成后,立即啟用管節尾部管剎制動系統。

3.2 頂管始發

從頂管機推進油缸推動機頭出發、至糾偏油缸啟動,屬于始發段。為保證頂力傳遞路徑順暢,需在洞內有至少3個接頭位置(12 m)才能啟動糾偏油缸,且始發段在后續頂進時為重要傳力線,其對整根試驗管頂進精度控制至關重要,而始發段頂管機的姿態控制將直接影響到始發軌跡,因此必須確保始發的12 m為直線。

頂管機始發前,糾偏油缸全部歸零,使頂管機刀盤、前盾、中盾與油缸軸線一致。旋轉刀盤低速頂進,防止頂管機由于素混凝土結合面不平整造成偏斜。在機頭刀盤到達素混凝土墻時,首先把理論軸線曲線要素輸入UNS導向系統。然后進行機頭姿態的初始數據收集,如果初始數據同理論軸線一致則進行初始坐標定位,指導機頭向前頂進。如果出現較大偏差,分析原因,找出導致偏差的影響因素,為后續施工提供指導。

頂管時地質情況的變化決定推進速度的快慢,同時隨著地質情況的變化,應遵循泥水平衡基本原理,適當調整頂進速度,以保證泥水倉壓力平衡。

始發段機頭通過始發井密封圈時,為防止機頭磕頭,需在孔口管內鋪設一滑板;機頭在破碎素混凝土墻的過程中,由于機頭扭矩較大,為防止盾體產生較大的偏轉,在頂進環后推支座處加設一防偏轉裝置。

3.3 頂管頂進

頂進階段是指頂管機始發后,通過建立泥水平衡,依靠推進油缸的頂力,將機頭和管節頂入地層中,并使其沿著設計軌跡推進,同時通過攜渣泥漿不斷出土的過程。

3.3.1 頂進參數

頂進速度是頂管的重要控制參數,需根據地層情況動態調整,砂層約160 mm/min,淤泥約100 mm/min,黏土約40 mm/min。頂管機作業過程中,機頭推進速度與排出土體積應保持動態平衡,以免超挖造成掌子面坍塌或壓力過大使刀盤過載。由于本工程管節為F型接頭連接,當刀盤長時間沿同一方向旋轉,切削的反向力矩易造成頂管機偏轉過大,應根據頂管機的旋轉角適時改變刀盤旋轉方向,保證頂管機旋轉控制在一定范圍。

3.3.2 防扭轉措施

頂進過程中防扭轉的主要措施有:

(1)設置機頭偏轉傳感器,即時顯示機頭的偏轉姿態數據;

(2)頂進過程中間隔一段時間即調整刀盤的轉向,將頂管機的旋轉控制在一個可控范圍內,通過控制掘進機刀盤的轉向來平衡工具管掘進時產生的轉矩。

3.3.3 障礙物處理

已頂過的管節沒有出現較大障礙物,但下一階段施工中仍有可能出現,主要是在上層人工填土層內的石塊、未探明的樁基、混凝土塊及其他雜填物,下層強風化層中未風化完全的花崗巖等。

主要的處理措施有:刀盤切削,側壁注漿開孔,必要時進行頂部開孔。

3.4 頂管接收

機頭距接收艙一定距離時,為保證精確接收,必須對機頭進行姿態調整,從姿態調整開始至頂進終止屬于接收段。

3.4.1 姿態調整

頂管推進至接收段時,要對頂管機的位置進行精確測量,準確計算出頂管機位置,同時對接收洞口位置進行復核測量,確定頂管機的貫通姿態并制定掘進糾偏計劃。糾偏要逐步完成,每一節糾偏量不宜過大。

3.4.2 有壓接收

頂管機接收采用有壓接收方式,接收艙內徑1 880 mm,總長5.3 m,由穩壓管、前艙、中艙、尾艙(密封艙)及附屬閘閥(注漿閥、排漿閥、穩壓管閥等)等幾部分組成,如圖6所示。穩壓管作用是在機頭破除素混凝土墻后,機頭穿過孔口管,進入接收艙直至過渡段通過密封艙的過程中,保持機頭頂進壓力,同時可以有效防止地層內水土流失,保持土體穩定性;前艙回收機頭;中艙回收過渡段;尾艙主要是防止管壁外側的泥漿進入中艙、前艙。

圖6 接收艙接收機頭

關閉接收艙之前為了控制機頭的姿態,需在孔口管、密封艙、中艙、前艙內鋪設滑板,機頭進入孔口管后可以平滑地推進到接收艙內。接收艙關閉后,通過注漿閥使接收艙內充滿攜渣泥漿,然后關閉注漿閥,打開穩壓管閘閥。

3.4.3 開艙

頂管機在接收艙內完全到位后,接收段止水圈抱緊管節,然后在始發、接收端各8 m范圍內用快凝雙液漿置換減阻漿,形成隔水段,隔水段漿液終凝后,拆除接收艙、吊出機頭。

3.4.4 接收防水措施

接收階段為防止地層失水,主要采取如下措施: (1)在機頭將要到達接收艙時,要精確測出機頭姿態位置,盡量滿足橡膠法蘭與機頭同心的要求;

(2)測出頂管機姿態后,在預埋鋼板上焊接洞口止水裝置,接收艙需密封并做好防漏措施;

(3)在孔口管外側注漿止水;

(4)頂管結束后,利用鋼管首節與尾節和井壁預埋鋼環連接,迅速作注漿密封處理,避免接收風險。

3.5 泥漿置換

頂進完成后,管外側存在20～30 mm的間隙,其間由觸變泥漿及泥砂充填,為防止泥漿失水后造成沉降,需對其進行注漿置換。漿液采用水泥漿,W/C= 1∶1,注漿壓力0.5 MPa,由減阻注漿孔注入。進漿口相鄰兩側出漿孔安裝限制閥,排出置換出的減阻漿,待排漿孔排出泥漿為水泥漿時停止注漿,再由相鄰孔注漿,分段依次進行。

3.6 泥漿配制與泥砂分離

3.6.1 泥漿配制

泥漿主要分為兩大類,攜渣泥漿與減阻泥漿。

攜渣泥漿作用:一是護壁防滲;二是懸浮攜帶土渣。泥漿配制的主要指標是黏度與比重,黏度與比重需根據不同地層作適當調整。0號試驗管要求黏度≥40 s,比重1.03～1.27。

減阻泥漿要求有優良的觸變性能,即在流動過程中阻力小,利于泥漿迅速分布到管節外各個部位;在注漿停止后,泥漿可以快速變為凝膠狀,流動阻力瞬間提高,從而減少泥漿漏失,使管節外空隙能長時間充滿泥漿,減小推進油缸推力,更好控制掘進精度。

減阻材料選用美國捷高公司生產的易鉆(Hydraul-EZ)膨潤土,易鉆是一種經特別化學處理,易于混合、高黏性、高造漿率的膨潤土,由優質鈉基膨潤土制成,其中添加的多種聚合物有效提高了泥漿的懸浮性、護壁性及潤滑性能,能夠適應各種地層,黏度≥50 s。

3.6.2 泥砂分離

海瑞克自帶泥水分離系統具有很好的泥水處理能力及泥漿儲備能力。從掘進面由泥漿泵抽出的泥漿通過處理系統,將其中的泥砂分離出來,呈干塑狀渣土匯集到收集槽內,外運棄置;經凈化處理后的泥漿進入循環池中,經檢測合格后,可循環利用。泥漿循環系統見圖7。

圖7 泥水分離系統現場布置

3.7 測量與監測

3.7.1 測量與軌跡控制

頂進過程中由UNS模糊邏輯自動糾偏,頂管機配備的MK20雙向傳感器陀螺儀,指向精度可達到1 mrad,即每掘進20 m測量系統可能出現的最大誤差為±20 mm,因此管幕施工時每20 m做一次校正測量,修正測量系統偏差。修正時將測量差值輸入導向系統,并設置掘進機回歸方式,一般采用緩和曲線回歸,并限制最大糾偏曲率。

軌跡控制措施如下:

(1)采用高精度自動引導UNS測量系統,按20 m一次的頻率人工校核,必要時視實際情況加大校核頻率;

(2)采用帶自動糾偏裝置的頂管機;

(3)采用可調節管節張開量的F型接頭,并用限位螺栓限制管節張開量不超過設計值。

3.7.2 監控量測

管幕頂進期間監測的主要項目有:土體壓力、泥水倉壓力、管道受力、頂進進程、地面沉降及分層沉降、泥漿參數、泥漿泵流量、頂推力等。根據監測數據分析結果反饋指導施工。

經過0號試驗管實踐,單管可實現地面無沉降,分層沉降最大4 mm,但群管頂進期間的沉降如何,仍需高度重視。

3.8 輔助措施

3.8.1 控制地表控制措施

控制地表沉降的措施主要有:

(1)嚴格控制頂進的施工參數,并根據地面的監測數據實時調整;

(2)選擇合適的管壁與周圍土體間的空隙,使得既有利于泥漿套的形成,又不致使空隙過大造成沉降;

(3)嚴格控制頂進時糾偏量,盡量減少對周圍土體的擾動;

(4)根據地質情況,控制頂進速度;

(5)控制減阻注漿的注漿量,保證漿液連續、均勻壓注,使管壁與土體間的孔隙及時完整地被漿液填充;

(6)采取措施保證鋼管接口及洞口處的密封性;

(7)頂進結束后,盡早采用純水泥漿置換減阻泥漿,確保地層不失水,以加固管外壁土體,控制頂管后期沉降。

3.8.2 保證頂進面主洞正面餅狀地下連續墻穩定措施

由于頂管需穿過頂進面地下連續墻,36根管全部開孔后,將會導致整個隧道斷面內的地下連續墻成為一個孤立的混凝土板,為此,保持環形混凝土板的穩定性非常重要。經研究采取如下措施:

(1)大量破除地下連續墻孔洞前要施作中框架和底板;

(2)盡量安排在內襯墻完成后再開鑿管幕處地下連續墻混凝土;

(3)采用開孔效率高的設備鑿除地下連續墻混凝土;

(4)孔口管采用50 cm以上的錨桿錨固至地下連續墻內,增強內部混凝土與外環地下連續墻的連接;

(5)內部支撐在不影響頂管的情況下盡量晚些拆除;

(6)管幕頂進完成后要形成地下連續墻和管節間的有效連接;

(7)底部地下連續墻開孔時需設置有效的止水裝置,并應預先進行加固處理。

4 管幕頂進順序

4.1 管幕頂進階段

充分考慮施工安全,結合東西工作井的開挖、支撐及主體結構施工順序將管幕頂進劃分為3個階段,如圖8所示。

(1)第一階段:為試驗管階段,工作井開挖至試驗管高程開始頂進0號管,5號管。

圖8 頂管分階段示意(單位:cm)

(2)第二階段:中框架處左右共4根管,受中框架施工影響,需在中框架施工前先施作中部4根管。

(3)第三階段:全面頂管階段,工作井內襯墻完成后,頂進剩余31根鋼管。

4.2 各階段頂進方向及次序

頂管機按進場順序,依次編為1、2、3、4號機。其中,1號機位于東井北側,2號機位于西井北側,3號機位于西井南側,4號機位于東井南側,各階段頂管順序如下所述。

(1)第一階段:1號機先頂進0號管,東井始發、西井接收。然后采用2號機頂進5號管,西井始發、東井接收。

(2)第二階段:1號機頂進9號管,自東井始發,西井接收,然后再頂10號管,西井始發,東井接收。3號機頂進29號管,西井始發,東井接收,然后再頂28號管。

(3)第三階段:上部管節使用1號、2號機,自東向西頂進;下部管節使用3號、4號機,自西向東頂進。

群管頂進時,各管節頂進順序以盡量減少群管效應為標準,各分區可采取先頂奇數管再頂偶數管的順序,保證正在頂進的管幕周邊土體未經擾動或周邊土體均經過頂管擾動,但實際效果如何,尚需通過現場驗證。

5 管幕施工速度

從0號、5號、9號、29號管的施工經驗看,日最快進度為30 m,平均約20 m/d,一根管幕從始發到接收約需25 d。

6 結語

拱北隧道管幕施工第一階段頂管已完成,第二階段已接近尾聲,從已完成的0號、5號、9號、29號管來看,頂管機與地層的適應性良好,所形成的管節軌跡控制順暢,達到了精度要求(其中0號管接收橫向偏差-5 mm,高程偏差+3 mm),基本實現了設計意圖,但仍有一些方面需要進一步完善,如相鄰各管節間施工順序對管位的影響程度如何、群管頂進階段地表沉降規律如何、管節長度是否可適當加長、地下連續墻開孔方法如何改進等問題仍需深入研究和實踐。

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Experimental Research on Pipe Jacking Technology for Long-distance Large-diameter Curved Pipe-roofing Project of Gongbei Tunnel of Zhuhai Connecting Line of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge

GAO Hai-dong
(China Railway 18 Bureau Group Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China)

The pipe-roofing project was one of the most difficult projects of undermining-method section of Gongbei Tunnel Port of Zhuhai connecting line of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge.This project was characterized by long distance,large diameter,curved pipe-roofing path,high accuracy requirement of pipe jacking,and numerous difficulties in construction.Moreover,this project passed beneath the defined area in Gongbei Tunnel Port,with a burial depth of 4 to 5 m and an average pipe-roofing length of 257.92 m,and consisted of 36 steel pipes in the form of 1 620 mm diameter per pipe.The railway line was located on a hybrid curve which was made of a transition curve and a circular curve with about 890m radius,where the requirement on the path accuracy of pipe segment was within±50 mm and the requirement on ground surface settlement was less than 30 mm.In addition,the geological condition of the soil strata where the pipe-roofing project passed through is very complex,and the surrounding environment is sensitive.This paper expounded relevant issues,including how to select the type of pipe jacking machine,how to divide the stages of jacking construction,how to control the operation sequence and technical process of jacking construction.

subsea tunnel;curved pipe-jacking;F-shaped joint;measurement control;accuracy control

U459.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.028

1004-2954(2014)08-0114-06

2013-11-10;

2013-12-24

高海東(1974—),男,高級工程師,E-mail:ghd740420@ sina.com。